专题亮点 | 光学加密进化：超构表面光学加密技术

为及时和全面反映光信息加密及存储技术的最新发展趋势，《中国激光》于2023年第18期出版“多维光信息加密及存储技术”专题。（点击查看专题网页）专题亮点文章（三）来源于暨南大学纳米光子学研究院包燕军教授课题组。文章基于超构表面的光学加密方法，根据加密的端口类型，分别从单一输入端、单一输出端以及输入-输出端联合三个方面对这些方法进行了分析和讨论，并对超构表面光学加密的未来发展趋势进行了展望。（点击查看原文）魏睿, 包燕军. 基于超构表面的多维光信息加密[J]. 中国激光, 2023, 50(18): 1813004.

 引言 

在当今全球信息化进程中，信息安全问题越来越引起人们的广泛关注。光学加密作为一种信息加密手段，以多维度、大容量、高设计自由度等优势，在全息存储、数字水印、身份验证领域中有着广阔的应用前景。传统的光学加密方案通常需要一些复杂且笨重的光学元件器件，导致加密效率低下。

超构表面是一种人工设计的具有特殊电磁响应的二维平面结构，通过对单元结构的优化设计，能够在亚波长尺度对光场的振幅、相位、偏振态等多重光参量进行灵活调控；同时其亚波长的厚度具有体积小、重量轻、易于集成等特点，在诸多光学领域中得到了广泛应用。超构表面的出现为光学加密提供了一个灵活且高效的平台，推动了光学信息安全的快速发展。

 超构表面光学加密 

超构表面光学加密原理是将加密信息通过算法隐藏到结构的复振幅以及偏振响应中，然后通过入射和探测光的特定维度，实现图像信息的解密。在这个过程中，光场有两个关键的端口，即输入端和输出端，分别承载着输入秘钥和输出秘钥。

输入秘钥是指入射光场的光参量，如波长、相位、偏振态、入射角度等，它们决定了超构表面对光场的响应特性。输出秘钥是指输出端在特定参数下接收到的的光场，这些参量包含选择偏振、观测角度、衍射距离等信息。只有在知道正确的输入秘钥和输出秘钥的情况下，才能够对输出端的光场进行解密，从而恢复原始的图像信息。

根据加密的端口使用情况，可将超构表面光学加密分类为单一输入端、单一输出端以及输入-输出端联合三种类型。

在单一输入端的光学加密中[图1（a）]，通过超构表面结构的设计，可实现特定光参量下的图像信号加密。例如，南京大学彭茹雯等人通过将噪声引入结构琼斯矩阵中，可实现11种入射偏振态下不同的全息图像[图1（b）]；又或者将不同的全息图像信息隐藏在不同的入射角度维度中。

进一步地，可将入射光的多个维度组合进行光学加密，从而提供更多独立的编码信息通道。暨南大学包燕军教授课题组在单个像素中考虑多个亚纳米结构单元的整体干涉，从而调控不同入射光的角度、波长以及偏振组合下的光响应，实现多幅纳米打印图像的加密和解密[图1（c）]。

在单一输出端的光学加密中[图1（d）]，要求输入端光维度保持不变，在输出端改变光的偏振、观测角度、衍射距离等维度信息，实现加密图像的读取。

例如，苏州大学华鉴瑜等人通过设计超构表面结构的散射角谱分布，可将不同的图像信息隐藏在一些特定的观测角度下，因此观测角度可作为输出秘钥进行光学解密[图1（e）]。同样，偏振也可以在输出端作为光学秘钥，通过超构表面结构复合单元设计，可实现任意非正交偏振下两幅图像的解密[图1（f）]。

相比于单一的输入端和输出端加密，将两者结合起来能够带来更丰富的光学加密功能和更高的安全性[图1（g）]。例如，通过在输入端引入了偏振维度秘钥，在输出端结合偏振和衍射距离两个维度，实现多重维度的光学加密[图1（h）]。由于只有在输入秘钥和输出秘钥都正确的情况下，输出端的光场才能得到解密，这增加了解密的难度。

图1 (a) 单一输入端超构表面光学加密;  (b) 在输入端，基于偏振维度实现11种图像加密; (c) 基于相干像素设计，实现输入端波长、偏振、入射角度维度组合的光学加密;  (d) 单一输出端超构表面光学加密;  (e) 在输出端，基于大尺寸光栅像素结构的多观测角度图像加密; (f) 两副图像信息隐藏在非正交线偏振态中; (g) 输入-输出端联合的超构表面光学加密;  (h)输入端偏振、输出端偏振与衍射距离结合的图像加密与解密

 总结和展望 

目前，基于超构表面的光学加密受到广泛关注。研究者们已经将光场的各种维度应用于光学加密中，然而这一领域仍然面临着一些挑战。

首先，目前超构表面的制备主要依赖于电子束曝光、离子束刻蚀等高成本的加工工艺，因此无法进行大面积的制备。为了进一步推进该技术的应用，需要寻找更经济高效的制备方法。

其次，由于加工误差和机理的限制，多通道光信息加密不可避免地存在串扰现象，从而导致加密和读取的误差，影响了实际应用的可靠性。在解决这一问题时，需要寻找更精确的加工技术和优化设计算法，以减少串扰对系统性能的不良影响。

此外，为了增加主动调控性，一些研究者尝试将光与其他物理信号，如电、化学反应等相结合，以实现动态调控。然而，这些方案也带来了结构单元尺寸增大和响应速度慢等问题。

在未来的研究中，需要寻找更灵活高效的方法来实现主动调控，以克服现有方案的限制。因此，研究具有高响应速度和大容量的主动型超构表面器件对于光学加密技术的发展具有重要意义。在克服当前的挑战后，超构表面光学加密有望在信息安全领域发挥更大的作用。

通信作者简介

包燕军，暨南大学纳米光子学研究院教授，广东省纳米光学操控重点实验室副主任，广东省杰出青年基金获得者。近年来致力于超构表面结构在多维光场操控方面的研究，探索不同光场调控机理和多功能平面器件的应用。以第一/通讯作者身份在Science Advances, Nature Communications等期刊上发表论文 30 余篇。主持国家自然科学基金委重大研究计划培育项目、面上及青年项目。

课题组目前招聘超构表面、微纳光学等方面的研究人员（副教授），欢迎联系（邮箱：）。

期刊简介

《中国激光》创刊于1974年，由中国科学院主管、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办、中国激光杂志社出版，是全面报道激光技术领域最新研究成果的旗舰级中文学术期刊。2021年改为半月刊，并开始出版“英文长摘要”以提高期刊论文的国际传播力。2021年和2022年分别打造“前沿激光制造”专题刊和“生物医学光子学”专题刊。

《中国激光》目前被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。多次获得“百强科技期刊”“百种中国杰出学术期刊”“中国精品科技期刊”和“中国最具影响力学术期刊”等称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年荣获“第五届中国出版政府奖”期刊奖提名奖。2022年入选《光学工程和光学领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”。

科学编辑 | 暨南大学 魏睿

编辑 | 沈灵灵

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